Page 1
85
ANALISIS KINERJA ALAT SUPERHEATER PADA INSTALASI
PEMBANGKIT TENAGA UAP
Tris Sugiarto *, Chandrasa Soekardi **
Abstract
This paper presents the performance characteristic of a superheater of boiler power plant
evaluated by measuring the working parameters such as pressure, temperature, steam flowrate,
and gas temperatures flowing through the equipment as a function of time during 12 months of
operation with the aim of providing data on the influence of fouling on superheater performance.
These data were used to calculate the change of heat transfer rate with time as fouling
deposition progressed. The results showed that after 12 months of operation the heat transfer
rate declined by 28% below the initial condition. This condition is probably due to more severe
fouling in the equipment. The gas flow rate must be reduced below its design value in order to
maintain the design heat duty when the equipment is first placed in service. Thus the equipment
will have to be taken out for cleaning at an undesirable time. To avoid these conditions it seems
interesting to apply the rational design method providing available information of time
dependence of fouling thermal resistance.
Keywords : boiler, superheater, maintenance, cleaning interval, fouling, heat load, fouling
thermal resistance
PENDAHULUAN
Penelitian ini dilakukan berangkat dari
motivasi untuk mencari solusi atas sebuah
masalah yang dihadapi oleh alat superheater,
yang merupakan salah satu komponen boiler
instalasi pembangkit tenaga uap, yaitu
selama pengoperasiannya alat tersebut harus
mengalami maintenance untuk cleaning
lebih sering daripada seharusnya. Menurut
spesifikasi designnya alat tersebut
seharusnya mengalami maintenance untuk
cleaning satu kali per tahun. Namun pada
kenyataannya, cleaning rata-rata setelah alat
tersebut beroperasi selama 8 bulan sehingga
biaya maintenance menjadi tinggi sekali. * Prodi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto
** Program Magister Teknik Mesin Universitas
Pancasila Jakarta
Seringnya maintenance
mengakibatkan instalasi mengalami
kehilangan produksi yang signifikan
sehingga kerugian yang dialami instalasi
pembangkit daya menjadi lebih besar. Untuk
mencari solusi atas permasalahan tersebut
maka diperlukan serangkaian pengujian agar
dampak atas masalah yang dihadapi oleh
alat tersebut serta kerugian yang lebih besar
dapat dikurangi atau dihindari.
Peranan alat superheater tersebut
sangat vital, karena apabila performancenya
mengalami gangguan sehingga kinerjanya
menurun, maka tingkat keadaan uap yang
dihasilkan menjadi lebih rendah sehingga
daya yang dihasilkan oleh turbin dapat
menjadi lebih rendah. Pada umumnya
Page 2
86
penurunan kinerja alat tersebut, di luar
masalah gangguan pada sistem mekaniknya,
disebabkan oleh menurunnya efektifitas
perpindahan panas yang terjadi di dalam alat
tersebut akibat terjadinya pengotoran
permukaan baik oleh aliran fluida uap air di
dalam pipa-pipanya maupun oleh aliran
fluida gas panas yang berasal dari proses
pembakaran bahan bakar di dalam boiler [1],[2].
Pengotoran permukaan (Fouling)
terjadi, di satu sisi akibat pengotoran oleh
kandungan-kandungan senyawa garam yang
terangkut di dalam aliran uap air yang
mengalir di permukaan dalam pipa-pipanya,
dan pada sisi luar pipa oleh partikel debu
dan berbagai
senyawa kimia yang terangkut di dalam
aliran gas panas hasil pembakaran bahan
bakar. Tahanan termal akibat terjadinya
deposit di permukaan menyebabkan laju
pertukaran energi panas antara gas panas
dengan aliran uap air menjadi menurun
sehingga efektifitas perpindahan panasnya
lebih rendah dari seharusnya.
Pada awal pengoperasian, efektifitas
perpindahan panas di dalam alat economiser
masih maksimum sesuai dengan spesifikasi
designnya karena permukaannya masih
dalam keadaan bersih. Namun, setelah alat
tersebut dioperasikan dalam jangka waktu
tertentu efektifitasnya mulai menurun
sejalan dengan terjadinya pengotoran
permukaan. Fouling dapat tumbuh lebih
cepat apabila lapisan deposit yang terbentuk
di permukaan mempunyai sifat adhesif yang
cukup kuat. Selain itu, apabila laju aliran
fluida menurun dan terdapat kondisi gradien
temperatur yang cukup besar di daerah dekat
dengan permukaan maka kecepatan
pertumbuhan deposit juga akan lebih
meningkat [3],[4],[5].
Lapisan deposit yang semakin tebal
juga akan menyebabkan kerugian tekanan
(pressure drop) aliran fluida menjadi
semakin tinggi, sehingga daya pemompaan
yang diperlukan untuk mengalirkan fluida
menjadi lebih tinggi. Selain menyebabkan
kerugian energi kondisi operasi yang
demikian akan menyebabkan laju proses
produksi menjadi menurun. Apabila kondisi
tersebut terus berlanjut biasanya instalasi
proses produksi harus berhenti beroperasi
karena peralatan penukar kalornya harus
menjalani pemeliharaan (maintenance) dan
pembersihan (cleaning).
Berdasarkan uraian di atas maka dua
pertanyaan pokok yang akan dicari
jawabannya melalui penelitian ini adalah
faktor-faktor apa saja yang menyebabkan
alat superheater tersebut lebih sering harus
mengalami maintenance untuk cleaning
daripada seharusnya, dan solusi alternatif
seperti apa saja yang dapat diterapkan untuk
mengatasi permasalahan tersebut
PENGUJIAN ALAT SUPERHEATER
Pada tahap pertama dilakukan
pengukuran, selama jangka waktu 12 bulan
pengoperasian yaitu mulai dari bulan Januari
tahun 2010 sampai dengan bulan Desember
tahun 2010, tingkat keadaan aliran kedua
fluida kerja yang mengalir di dalam alat
superheater yaitu tekanan, temperatur dan
laju aliran massa uap air yang mengalir
masuk dan keluar alat tersebut, serta
temperatur aliran gas hasil pembakaran
masuk dan keluar alat superheater.
Data hasil pengukuran kemudian
dipergunakan untuk mengevaluasi kinerja
alat superheater setelah dioperasikan dalam
jangka waktu tertentu. Parameter-parameter
performance yang dievaluasi meliputi: laju
aliran energi panas yang dilepaskan oleh
aliran gas panas, laju aliran panas yang
diterima oleh aliran uap air, efektivitas
perpindahan panas, koefisien perpindahan
panas global, dan tahanan termal pengotoran
permukaan.
Page 3
87
Spesifikasi teknis alat superheater yang
menjadi objek studi adalah sebagai berikut:
Tabel 1. Spesifikasi alat superheater
Spesifikasi Alat
Boiler Type Riley-Mitsui “ISR” Water Tube
Boiler
Evaporation MCR 636 T/hr
Steam Pressure Normal (at superheater outlet)
131.5 Kg/m2G
Steam Temperatur (at superheater outlet ) 540 0C
Heating surface Water Wall (Projected)
Economizer
Superheater Reheater
Air Heater
1023 m2
7997 m2
5083 m2 1167 m2
8860 m2
Burner Inlet Air temperatur 221 0C
Draff Loss 150 mmAq
Urnace PresureF 300 mmAq
Combustion Chamber
Dimensions:
Width Length
Height
12.63 m 8.998 m
18.288 m
Sebagian data hasil pengukuran disajikan
dalam tabel di bawah ini:
Tabel 2. Sample data Hasil engujian
No Waktu
(h)
Temp. gas masuk boiler
Thi (0C )
Temp.gas keluar boiler
Tho (0C )
Temp.air masuk boiler
Tci (0C )
Temp.uap keluar boiler
Tco (0C )
Laju aliran
air m(kg /s)
1 0 628 162 264 538 136.11
2 72 628 162 265 538 134.72
3 144 628 162 265 538 133.33
4 216 628 162 264 537 134.72
100 7128 627 162 257 534 127.78
101 7200 627 163 259 535 130.56
102 7272 627 163 258 535 127.78
103 7344 627 163 258 535 127.78
Apabila perubahan energi kinetik dan
energi potensial aliran fluida kerja
diabaikan, maka besarnya laju energi panas
yang diterima aliran uap dapat dihitung
menggunakan persamaan :
Qc = mc . ( ho - hi ) ( 1 )
Dimana , Qc Kalor yang diterima oleh aliran
uap, mc Laju aliran massa uap, Cpc Kalor
jenis fluida, ho Enthalpy uap, hi Enthalpy
uap jenuh .
Kemudian, apabila perpindahan panas antara
aliran fluida kerja di dalam Alat Penukar
Kalor dengan sekelilingnya dapat diabaikan
maka qh = qc =q
Sedangkan besar kalor yang dilepas
aliran gas dapat dievaluasi dengan
persamaan berikut:
Qh = mh . Cph . (Thi - Tho) ( 2 )
Dimana , Qh Kalor yang dilepas oleh
aliran gas, mh Laju aliran massa gas, Cph
Kalor jenis fluida, Thi Temperatur gas yang
masuk ke boiler, Tho Temperatur gas yang
keluasr dari boiler.
Pada proses perpindahan panas antara
aliran fluida panas dan aliran fluida dingin
yang dipisahkan oleh dinding pemisah yang
berupa permukaan pipa dengan ketebalan
tertentu berlangsung melalui beberapa
mekanisme. Antara aliran fluida panas
dengan permukaan dalam pipa mekanisme
perpindahan panasnya adalah konveksi. Dari
permukaan dalam pipa ke permukaan
luarnya perpindahan panas konduksi.
Kemudian dari permukaan luar pipa ke
aliran fluida dingin mekanisme perpindahan
panas konveksi.
Laju perpindahan panas global atau
keseluruhan antara aliran fluida panas di
dalam pipa dengan aliran fluida dingin di
luar pipa pada system tersebut dapat
dinyatakan dengan persamaan :
oo
io
ii
ch
AhkL
dd
Ah
TTQ
1
2
)/ln(1 ( 3 )
atau persamaan tersebut dapat pula
berbentuk :
Page 4
88
)( ch TTUAQ ( 4 )
dimana,
oo
io
iioi AhkL
dd
AhUAUAUA
1
2
)/ln(1111
( 5 )
di sini, U koefisien global perpindahan
panas di dalam Alat Penukar Kalor, A luas
permukaan reference, di diameter
permukaan dalam tube, do diameter
permukaan luar tube, k konduktifitas termal
bahan pipa, L panjang pipa, h koefisien
perpindahan panas.
ΔTm adalah beda temperature rata-rata
logaritmik yang diberikan oleh persamaan:
)/ln()/ln( 12
12
21
21
TT
TT
TT
TTTm ( 6 )
Bagi konfigurasi aliran yang lainnya,
cross flow dan multi pass flow, persamaan
tersebut di atas dapat dipergunakan tetapi
dengan menerapkan factor koreksi.
Efektivitas proses perpindahan panas
di dalam sebuah alat penukar kalor
didefinisikan sebagai perbandingan antara
laju pertukaran energi panas yang
sebenarnya terjadi terhadap laju pertukaran
energi panas maximum yang dapat terjadi
pada alat tersebut :
€ = ( 7 )
Dimana , Qact Laju pertukaran kalor actual
yang terjadi pada alat, Qmaks Laju
pertukaran maksimum yang dapat terjadi
pada alat.
Qact = Qh
Laju pertukaran energi panas maksimal
yang mungkin dapat diperoleh secara prinsip
dapat dicapai pada sebuah APK jenis aliran
berlawanan (counter flow) dan besarnya
dapat diestimasi dengan menggunakan
persamaan berikut :
icih TTCq ,,minmax ( 8 )
dengan Cmin adalah laju kapasitas panas
yang minimum di antara Cc dan Ch.
Laju kapasitas panas aliran fluida pendingin,
Cc
cpcc cmC , ( 9 )
sedangkan laju kapasitas panas aliran fluida
panas, Ch
hphh cmC , ( 10 )
Tahanan thermal fouling terjadi karena
adanya deposit lapisan pengotoran pada
permukaan bidang pertukaran kalor.
Pembentukan deposit faktor pengotoran
selama pengoperasian boiler pipa air dapat
di evaluasi dengan persamaan sebagai
berikut :
+ Σ Rf ( 11 )
atau
ΣRf −
Dimana, ΣRf Faktor pengotoran, Uc
Perpindahan Panas menyeluruh pada kondisi
bersih saat t = 0, Uf Perpindahan panas
menyeluruh setelah terjadi deposit lapisan
pengotoran.
Page 5
89
HASIL DAN PEMBAHASAN
Beban termal di dalam alat superheater
Beban termal fungsi waktu
pengoperasian yang bekerja di dalam alat
superheater, atau laju aliran energi panas
yang dilepaskan oleh aliran gas panas dan
kemudian diterima oleh aliran uap air,
setelah dilakukan perhitungan menggunakan
persamaan-persamaan balas energi bagi
kedua fluida kerja yang mengalir ke dalam
alat superheater diperlihatkan pada gambar
di bawah ini.
Gambar 1. Karakteristik beban termal di dalam
superheater
Dari hasil pengujian, terlihat bahwa
pada awal pengoperasian, beban termal yang
bekerja pada alat superheater dapat
dikatakan berada pada kisaran 50.500 kW.
Kemudian setelah waktu 4500 jam
pengoperasian harganya menurun dan
berada pada kisaran 36.700 kW, atau telah
mengalami penuruan sebesar 28 %.
Penurunan kinerja alat tersebut besar
kemungkinan disebabkan oleh terjadinya
penumpukan deposit di permukaan yang
tebalnya telah relatif konstan yang mana
mengakibatkan turunnya laju pertukaran
energi panas.
Efektifitas Perpindahan Panas
Harga efektifitas perpindahan panas
di dalam economizer, ε adalah
perbandingan antara laju pertukaran energi
panas aktual yang terjadi di dalam alat
economiser dengan laju pertukaran energi
panas maksimum yang mungkin terjadi di
dalam alat tersebut. Besarnya efektivitas
perpindahan panas di dalam alat superheater
diberikan pada gambar 2 di bawah ini.
Gambar 2. Karakteristik efektifitas
perpindahan panas di dalam superheater
Tahanan Termal Pengotoran Permukaan
Harga tahanan termal pengotoran
atau faktor fouling dapat dihitung
menggunakan data koefisien perpindahan
panas global yang terjadi di dalam
superheater. Hasil perhitungannya disajikan
pada gambar
3.
Gambar 3. Karakteristik faktor pengotoran di
superheater
Dari gambar tersebut di atas terlihat bahwa
pada periode awal pengoperasiannya terjadi
peningkatan secara signifikan harga tahanan
termal lapisan pengotoran. Hal itu berarti
pada kondisi tersebut terjadi percepatan
Page 6
90
pertumbuhan lapisan pengotoran di
permukaan yang disebabkan oleh kedua
aliran fluida kerjanya.
Percepatan pertumbuhan deposit di
permukaan dapat terjadi apabila terdapat
kondisi aliran fluida di mana kecepatan rata-
ratanya lebih rendah daripada seharusnya
dan/atau terjadi gradien temperatur yang
lebih tinggi. Kondisi seperti itu biasa terjadi
pada alat penukar kalor yang dirancang
dengan menggunakan faktor fouling yang
konstan yang diperoleh dari standar TEMA
(Tubular Exchanger Manufacturers
Association) [6]. Alat superheater yang
menjadi objek studi di sini, melihat data
spesifikasi designnya, besar kemungkinan
telah dirancang dengan metoda perancangan
seperti itu sehingga terjadilah kondisi aliran
yang tidak dapat dioperasikan sesuai dengan
harga design pointnya pada saat alat tersebut
mulai dioperasikan.
Selanjutnya, apabila hasil pengujian
tersebut di atas didekati dengan profil
tahanan termal asymptotik :
( 12 )
dengan Tahanan termal asymptot, t
waktu pengoperasian superheater, dan tc
konstanta waktu, maka diperoleh: =
0,000352 m2K/kW dan tc= 5.350 jam atau
sekitar 7,4 bulan pengoperasian. Faktor
inilah yang menjadi penyebab utama
mengapa alat superheater yang
dipergunakan pada instalasi pembangkit
tenaga uap tersebut di atas harus mengalami
maintenance untuk cleaning satu kali setiap
8 bulan pengoperasian.
Dari hasil-hasil pengujian tersebut di
atas adalah sangat menarik untuk dilakukan
sebuah studi yang mempelajari seberapa
jauh pengaruh penggunaan data tahanan
termal lapisan pengotoran fungsi waktu dan
data cleaning interval terhadap hasil design
alat economiser yang sama dengan kondisi
batas aliran fluida kerja yang sama pula.
KESIMPULAN DAN SARAN
Serangkaian pengujian kinerja alat
superheater yang terpasang pada sistem
boiler penghasil uap bertekanan pada
instalasi pembangkit tenaga uap telah
dilakukan. Pengujian dilakukan dengan
mengukur temperatur kedua aliran fluida
kerja yang masuk dan keluar alat tersebut,
serta laju aliran massanya secara kontinyu
selama kurun waktu dua belas bulan
pengoperasian. Hasil pengujian
dipergunakan untuk mempelajari faktor-
faktor apa saja yang menjadi penyebab
terjadinya intensitas cleaning yang lebih
tinggi.
Hasil evaluasi parameter-parameter
kinerja alat tersebut menunjukkan bahwa
laju pertukaran energi panas di dalam alat
superheater atau efektifitas perpindahan
panasnya menurun 28 % setelah
dioperasikan selama 12 bulan.
Intensitas cleaning yang lebih tinggi
disebabkan oleh faktor percepatan
pertumbuhan lapisan pengotoran oleh kedua
fluida kerja yang mengalir di dalamnya. Hal
tersebut kemungkinan besar diakibatkan
oleh dampak negatif dari penggunaan
metode perancangan yang menggunakan
data faktor fouling yang konstan yang
diperoleh dari standard yang biasa
dipergunakan oleh kalangan industri.
Solusi yang diusulkan adalah
diterapkannya metode perancangan yang
lebih rasional yaitu menggunakan data
faktor fouling aktual yang berlaku bagi alat
tersebut yang diperoleh dari hasil pengujian.
Page 7
91
DAFTAR PUSTAKA
1. Kakac, S.,”Boilers, Evaporators, and Condensers”, chapter 4, John Wiley & Sons, New
York, 1987.
2. El-Wakil, M. M, Power Plant Technology, Singapore, McGraw-Hill Book Co. 1985.
3. Epstein N., " Particulate Fouling of Heat Transfer Surfaces : Mechanisms and Models, L .F
Melo et al. Fouling Science and Technology, Kluwer, 1988.
4. Garrett-Price, et al., “Fouling of Heat Exchanger: Characteristics, Costs, Prevention, Control,
and Removal”, Noyes, Park Ridge, New York, 1985.
5. Marner W.J., "Progress in Gas Side Fouling of heat Transfer Surfaces", Appl. Mech. Rev,
Vol. 43, 1990.
6. Tubular Exchanger Manufacturers Association, “Standards of the Tubular Exchanger
Manufacturers Association, TEMA”, 7th
Ed., New York, NY, 1988.
7. P.k. Nag, Power Plant Enginering, Second Edition, International edition, Mc Graw Hill,
Singapore, 2002
8. Cengel A. Yunus & Boles.A. Michael, Thermodynamics, An Engineering Approach Sixth
Edition (SI Unit s ), Mc Graw Hill, Singapore, 2007
9. Kreith Frank & Black. Z. William, Basic Heat Transfer, Harper & Row, Publisher, New
York, 2003
10. Wilcox & Babcox, Steam /its generation and use, 161 east42 nd street, New York
11. Sadik Kakac & Hongtan Liu. Heat Exchangers, selection, rating and termal design, second
edition, 2002
12. Soekardi Chandrassa, Prediksi Karakteristik Termal Sebuah Penukar Jalor Dampak
Pemilihan Faktro Pengotoran Yang Konstan, Jakarta, Volume 4 Nomor 2, April 2001.